虚拟维修关键技术研究

摘 要：介绍了虚拟维修系统构成所需的四大模块，分别对虚拟维修关键技术进行了深入分析，重点研究了虚拟维修系统如何建模、信息怎样表达、如何规划技术、干涉问题的解决以及修理工具的制作。

关键词：虚拟维修；系统建模；信息表达；碰撞检测；工具制作

中图分类号：TP391.9

自从20世纪80年代末虚拟现实（VirtualReality简称VR）的概念提出以来，虚拟现实作为一门新兴学科正在蓬勃发展。虚拟维修技术是建立在虚拟现实技术发展起来的，用来解决维修性和维修训练的技术手段，是利用维修仿真软件对产品进行虚拟的维修分析，发现可能存在的维修问题。后还可运用于维修训练领域，可指导维修人员进行维修，对维修人员进行维修的培训[1]。虚拟维修技术是多种技术的融合，包括系统建模、信息表达、工艺规划、干涉分析、维修工具制作等。

1 虚拟维修系统

一般虚拟维修系统结构包括四部分：（1）维修总体信息的输入，包括各种维修属性；（2）进行虚拟维修时周围的环境状态；（3）进行虚拟维修时，需要的各种外部设备；（4）虚拟维修数据库。如图1所示[2]：

2 关键技术

2.1 建模技术之虚拟维修。虚拟维修系统模型可以看作是实际维修系统的描述、造型、模仿或抽象，通过实物、图形或符号来代表维修样机、人及环境等组成部分之间的相互关系。三维建模是虚拟维修的基础，建模的好坏直接关系到交互性和沉浸感的实现。传统建模技术大多停留在点、线框、表面和实体建模的基础上，主要处理的是产品的纯几何信息、物理信息和行为信息。考虑到虚拟维修的特点，新一代特征建模更为有效。很多商业化三维CAD软件如Solidworks、pro/Engineer、UG等都可以用来建立实体模型。

2.2 表达技术之虚拟维修。虚拟维修中除了要描述各零件的基本属性外，还应表达部件存的相互之间的关系，应描述各零部件之间的相互关联的性质与结构。装配体的信息包括以下三方面[3]：（1）零部件本身的属性，包括物理、几何、工程设计等属性信息；（2）装配体之间的装配关系：1）零件与零件之间的相对位置与相对方向关系，2）零件与装配体之间的相对关系；（3）装配体各层次关系信息：装配体的层次信息可由装配树来表达。由图2，装配体由若干层子的子装配体组成，子装配体又由下一层次的子装配体或各零件组成，呈树状结构。装配树可直观描述装配关系及顺序。

2.3 规划技术之虚拟维修。虚拟维修规划包括维修顺序规划和维修路径规划等。在进行虚拟维修过程中，由操作人员对虚拟装备进行拆卸、维修和安装。整个交互式过程被虚拟维修系统记录下来，从而记录了顺序、路径、工具、维修方法、维修时间等信息。

虚拟维修系统包括沉浸式与非沉浸式两种。规划主要用于非沉浸式，但随着虚拟装备系统庞大，零部件数量多，拆装顺序的组合方式也迅速增长。而且许多维修方式与经验很难通过编程和公式来进行描述。环境的描述、设计分析也需要准确。对维修过程序列进行规划是研究虚拟维修规划的重点内容。可采用AND/OR图、有向图、连接图、混合图和Petri网等方法对拆装过程序列进行分析、规划。综合各图法特点，目前虚拟维修过程规划研究最常用的为Petri网方法，该方法可对虚拟维修规划进行定量与定型分析，便于扩展，有良好的数学基础。

虚拟维修环境的信息如果已知，采用全局路径规划；如果虚拟维修环境的信息未知或部分环境未知，则采用局部路径规划。对于全局路径规划和局部路径规划所采用算法有所不同，目前对于非沉浸式虚拟维修的全局路径规划采用的算法有：拓扑法、构形空间法、栅格法、概率路径图法以及可视图法。对于非沉浸式虚拟维修的局部路径规划采用的算法有：基于神经网络的方法、遗传算法、模糊逻辑算法以及人工势场法等。

2.4 干涉问题分析之虚拟维修。在对虚拟维修系统进行设计时，需要对零部件之间干涉问题进行分析。而碰撞检测则是干涉分析中的一种较有效的技术。碰撞检测可影响虚拟系统环境的真实感和沉浸感，是面向对象人机交互的技术基础。碰撞检测可分为静态碰撞检测和动态碰撞检测两种。在对装备零部件进行设计时，采用静态干涉检验，静态检验零部件之间相对位置间隙及干涉情况，根据检验分析结果再对零部件设计进行修改。在对装备可装配性进行设计评估时，采用动态干涉检验零部件装配时之间的约束关系、装配路径以及装配关系，从而对拆装和维修姿态进行调整、修改。并且算法也分静态算法和动态算法两种。目前，研究较多的为离散型动态碰撞检测算法，因为该算法的实时性能够满足虚拟维修系统中的设计需求。离散型碰撞检测的方法通常是利用三维几何体进行求交，或利用零部件二维投影的图像和深度来进行求交，从而判断干涉与否。众多算法中，采用层次结构模型，基于图形的碰撞检测应用最为广泛。该方法的几何对象由体积略微大于几何体的包围盒来描述，并且仅对包围盒重叠部分进行测试，得到相交结论。这样的几何模型被层次结构逐渐逼近，最终得到维修装备的几何特性[4]。

2.5 工具的制作之虚拟维修。在实际对装备进行拆装、修理中，维修工具必不可少，特别是一些特殊零部件必须采用专用工具操作才能完成。因此在对装备进行虚拟维修过程中，采用工具来对装备进行拆装、维修，例如采用工具完成紧固件的拆卸、抓取、移动以及安装等操作，需采用虚拟工具来完成特定的操作，才能更真实地反映虚拟维修过程。在维修工具建模时，常采用关节模型、逻辑模型、显示模型、碰撞模型等对虚拟维修工具进行描述。在虚拟维修工具操作方面，需要对工具的位置和可操作空间进行分析和描述。虚拟维修过程是一个复杂的过程，涉及到的维修装配工具很多，在对维修工具进行制作时，应充分的考虑到各零部件之间的相对运动约束关系，以及维修工具与维修对象之间的约束关系，从而才能对维修工具的操作进行约束和设计。要考虑到维修工具首先要选择维修对象，并与对象固定联接后进行驱动。在使用维修工具过程中，维修系统需要实时检测维修对象的状态，一旦装配或修理动作完成，停止对工具的操作，维修过程结束。除此以外，还需考虑与维修对象碰撞检测、约束识别、抓取、释放等方面的问题。

3 结束语

虚拟维修技术是热门而又前沿的技术，采用虚拟维修技术可有效降低维修训练成本，在装备设计与维修领域具有广泛的应用前景。本文对虚拟维修的关键技术进行了深入的探讨，给出了虚拟维修技术研究的重点内容。

参考文献：

[1]WanH G，Gao SM， Peng Q S. Virtual Assembly In ACAVE Environment [A].In： Proceedings of the Seventh International Conference on Computer Aided Design and Computer Graphics[C].Kunming：International Academic Publishers，2001：552-557.

[2]成小英.綠色维修理论及其评价体系研究[D].安徽理工大学，2004（04）：28-30.

[3]陈定方等著.虚拟设计[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4]马麟.虚拟维修过程模型的研究[D].北京：北京航空航天大学，2005.

作者单位：95890部队政治处，武汉 430033